中国载人航天30年逐梦苍穹

中国载人航天30年逐梦苍穹

今天,是中国载人航天工程立项、实施整整30周年。30年来,我国先后研制、发射了载人飞船、货运飞船、空间实验室,突破和掌握了空间出舱活动、空间交会对接、在轨加注燃料、航天员中长期在轨驻留等许多关键技术,并将于今年年底前建成首座先进的大型空间站,完成中国载人航天工程立项时制定的“三步走”发展战略的最后一步,把中国载人航天工程推向高潮。今天我们以专题的形式,一起回顾中国航天的前进之路。

航天飞机与载人飞船的抉择

其实,我国在1964年至1966年就发射了多枚生物火箭,先后把小白鼠、大白鼠和小狗等动物送上了天,而且所有试验生物都安全地回收了。这些生物火箭试验开创了我国宇宙生物试验的先河,为航天医学的发展积累了宝贵的经验。

1966年,我国制定第一个“载人宇宙航行规划”,设想在1973年至1975年发射我国第一艘载人宇宙飞船,并开始了我国载人飞船的总体方案论证工作。在1968年1月召开的载人飞船总体方案设想论证会上,我国第一艘载人飞船被命名为“曙光”1号。同年4月1日,我国正式组建了代号为“507”的航天医学工程研究所,承担有关航天员生命保障、医监医保以及航天员选拔训练的任务。

1970年7月14日,党中央批准实施“曙光”1号载人飞船工程,也叫“714”工程。1971年,我国从1000名空军飞行员里最终选拔出了20名预备航天员,并全面开展了载人飞船方案论证工作。

但由于我国当时经济和技术等基础非常薄弱,“曙光”1号飞船工程自1971年10月以后就几乎处于停滞状态。1975年3月,国家正式宣布我国首个载人航天工程下马,把航天的重点放在了研制应用卫星上。

改革开放以后,我国的经济和技术水平有了较大提高,为此,我国从1986年起开始实施“863”计划,即发展高技术,其中包括发展载人航天技术,中国载人航天终于再次迎来了难得的发展机遇。

在载人航天器中,空间站具有体积大、寿命长、功能强的特点,适合长期载人航天开展太空科研工作,但不能天地往返,所以在研制、发射空间站之前要先研制可以天地往返但体积小、寿命短的宇宙飞船或航天飞机,主要用于接送航天员和货物。

当时我国专家就研制哪种天地往返运输器有很大争议,在呼声较高的5种方案中有4种是研制航天飞机的方案,只有1种是研制载人飞船方案。经过几年的深入论证,根据我国的国情和国力,遵照“有限目标、突出重点”的“863”高技术研究发展的指导思想,专家们最后一致同意从载人飞船起步,并且决定不走美苏研制载人飞船的老路,直接研制达到世界第三代载人飞船水平的“神舟”。

1992年9月21日,党中央正式批准中国载人航天工程立项启动,因此它又被称为“921”工程。实践证明,我国以研制载人飞船起步的这一决策非常正确。美国花了2000亿美元,研制了6架航天飞机,发射了5架,进行了135架次飞行,但损失了2架,牺牲了14名航天员,最后不得不在2011年提前退役,然后重新研制新型载人飞船。苏联、欧洲、日本也都研制过航天飞机,但在走了一大段弯路后均没有投入实用。

载人航天循序渐进“三步走”

我国载人航天工程采用循序渐进、科学合理的“三步走”发展战略。

第一步是突破和掌握载人天地往返运输技术,即用载人飞船将航天员安全地送入轨道,并安全返回地面。这一步我国通过2003年发射“神舟”5号飞船进行的单人单天飞行,2005年发射“神舟”6号飞船进行的两人5天飞行完成了。

第二步是突破航天员空间出舱活动、空间交会对接两项关键技术,并发射空间实验室和货运飞船,这些也都是建造空间站的基础。它分以下两个阶段完成:

在第一阶段,先于2008年发射了“神舟”7号载人飞船,航天员翟志刚完成中国人的首次空间出舱活动,使我国突破和掌握了空间出舱活动技术。

然后在2011年先发射“天宫”1号目标飞行器,接着在2011年至2013年陆续发射“神舟”8号、9号、10号飞船与之分别对接,使我国突破和掌握了自动和手动交会对接技术,还验证了组合体飞行技术,飞船也定型了。

此后,进入第二步第二阶段。我国先于2016年发射了“天宫”2号空间实验室,然后在2016年至2017年先后发射“神舟”11号载人飞船和“天舟”1号货运飞船与之分别对接,从而验证了航天员中期在轨驻留技术、在轨加注技术、货运飞船技术和未来空间站的部分新技术,并进行了较大规模的科学实验和技术试验。

第三步是计划在2022年年底之前建成长期载人的大型空间站“天宫”,开展大规模、长期有人照料的空间应用。我国没有走美苏建造空间站的老路,而是利用后发优势,直接研制达到世界第三代空间站水平以上的“天宫”空间站。它采用积木式构型,由3个20吨级舱段组成“T”字形,将在轨运行10年以上,用于获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

“天宫”空间站建造和运行分为三个阶段:2021年为关键技术验证阶段,先后发射了“天和”核心舱和“天舟”货运飞船、“神舟”载人飞船各两艘;2022年为在轨建造阶段,已经发射了“问天”实验舱,还将发射“梦天”实验舱,两个实验舱将与“天和”核心舱形成“T”字基本构型,建成国家太空实验室;此后为“天宫”空间站运行阶段。所以,我国现在已进入空间站在轨建造阶段,目前任务已经完成过半。

除了研制、发射载人航天器之外,我国载人航天工程还包括航天员系统、应用系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统等。

“神舟”飞船开启太空航班

研制载人飞船是发展载人航天的第一步,也是关键的一步,最终用于空间站系统的载人天地往返运输。到2022年9月,我国已发射了14艘“神舟”飞船,其中9艘是载人飞船,5艘是无人试验飞船,成功率是100%,把14名航天员、23人次送入太空。

“神舟”飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组成,前两个是密封压力舱,可谓“一室一厅”,乘员人数3人,可自主飞行7天,停靠飞行180天。轨道舱位于飞船前部,用于航天员入轨后的工作、吃饭、睡觉和交会对接等;返回舱位于飞船中部,是航天员天地往返时的座舱,也是飞船的控制中心,并具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力;推进舱位于飞船后部,为非密封结构,为飞船提供动力、电源、燃料等。

为适应不同阶段的任务变化,“神舟”飞船先后有三种技术状态。一是初期试验技术状态,“神舟”5号、6号载人飞船采用这种技术状态,特点是轨道舱上也装有一对太阳电池翼,返回舱返回地面后,轨道舱可留轨利用半年。二是出舱活动试验技术状态,“神舟”7号载人飞船采用这种技术状态,特点是轨道舱取消了太阳电池翼,不留轨利用,并且具有气闸舱的功能,增加了扶手,用于航天员空间出舱活动。三是天地往返运输器技术状态,特点是轨道舱不仅不留轨利用,前端还增装了交会对接装置,“神舟”8号以后的载人飞船都采用这种技术状态,用于为“天宫”提供载人天地往返运输服务。

2020年5月,我国还成功发射了新一代载人飞船试验船。它与“神舟”相比,具有载人多、用途广和可重复使用等一系列优点,可用于未来的载人登月等任务。

微型空间站先行先试

研制和发射“天宫”1号和2号是我国的一个创新。因为当时还没研制出“长征”5号大型运载火箭,但为了突破载人航天的一些关键技术,我国没有等待,而是用现有的“长征”2号F运载火箭发射“天宫”1号和2号来实施,它们都具有空间站寿命长和功能强等一些元素,但体积和重量比较小,所以可视为微型空间站。

2011年9月29日,我国成功发射了“天宫” 1号目标飞行器,2016年9月15日发射“天宫”2号空间实验室。

“天宫”1号目标飞行器完成了四大任务:一是作为交会对接的目标,先后与3艘“神舟”飞船进行了空间交会对接任务,比国外每次进行空间交会对接试验要发射2艘飞船、进行3次空间交会对接试验要发射6艘飞船节省不少资金;二是实现了与“神舟”飞船对接后的组合体控制和管理;三是实现了航天员的在轨驻留、生活和工作,为航天员提供在组合体内工作、生活所需的基本条件,开展了相关的科学实验;四是进行了空间技术试验。这些都为后来的空间站建造进行了先期的技术验证,做到了“少花钱,多办事”。

“天宫”2号与“天宫”1号在外形、结构、尺寸、质量上基本没有变化,但“内心”不同,为了满足航天员中期驻留30天的需要,在“天宫”1号的基础上,对“天宫”2号开展了宜居环境设计,改善了就餐和睡眠环境,增加了锻炼设备和娱乐设施。

“天宫”2号主要完成了三大任务:一是验证了航天员在轨中期驻留技术,并进行了在轨维修技术试验;二是与新研制的“天舟”货运飞船对接,验证了推进剂在轨补加技术;三是开展了大规模空间科学和应用实验。

快递小哥“天舟”太空送货忙

由于我国正在建造的大型空间站“天宫”要长期载3人在轨生活和工作,而“神舟”载人飞船每次满载3人上天时只能携带300千克货物,为此,我国又研制和发射了每次能为空间站运送近7吨货物的“天舟”货运飞船,从而满足空间站长期载人航天的需求。

2017年4月20日,我国首艘货运飞船“天舟” 1号升空,与“天宫”2号进行了对接,并开展了在轨加注等多项试验。2021年5月29日,“天舟”2号升空,与空间站核心舱对接,为后续发射的“神舟” 12号乘组送去大量所需物资;2021年9月20日,“天舟”3号升空,与空间站核心舱对接,为后续发射的“神舟”13号乘组送去大量所需物资;2022年5月10日,“天舟”4号升空,与空间站核心舱对接,为后续发射的“神舟”14号乘组送去大量所需物资。

“天舟”货运飞船由货物舱和推进舱组成,其中的货物舱用于存放货物、设备,推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。该飞船整船最大装载状态下重量达13.5吨,上行货物运输能力为6.9吨,所以其载货比(所载货物重量与飞船总重量之比)高达51%,居世界第一;每次货物的运载量在全球现役货运飞船中也是最大的。每艘“天舟”货运飞船可停靠空间站1年。

搭建全球首个航天器“母港”

我国空间站工程于2010年9月25日立项,计划在2022年建成和运营(近地载人空间站),从而使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术,具备长期开展近地空间有人参与科学技术实验和综合开发利用太空资源能力的国家。

我国空间站基本构型包括“天和”核心舱、“问天”和“梦天”两个实验舱,它们采用水平对称“T”形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构,所有舱段均位于组合体当地水平面内,其中“天和”核心舱居中,“问天”和“梦天”实验舱对接于两侧。

2021年我国首先发射了“天和”核心舱。它是空间站组合体控制和管理主份舱段,具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验能力,可支持3名航天员长期在轨驻留,可装下4个科学实验柜。其发射质量为22.5吨,可供航天员工作和生活的空间达50立方米。

2022年已经发射的“问天”实验舱和即将发射的“梦天”实验舱,用于支持大规模开展舱内外空间科学实验和技术试验。其中“问天”实验舱还同时作为组合体控制和管理的备份舱段,具备乘员出舱活动的主份气闸舱和3个卧室及1个卫生间,可装8个科学实验柜,配有一个承载3吨的5米长小型机械臂;“梦天”实验舱具备载荷自动进出舱能力,可装13个科学实验柜。它们与“天和”核心舱对接后,航天员在空间站的活动空间可达110立方米。

我国的“天宫”空间站能长期载3人,半年一轮换。在航天员轮换的6至10天内,空间站最多能容纳6个人。每个航天员乘组包括1名航天驾驶员担任指令长,其余人员的构成则根据任务需要,由航天驾驶员、航天飞行工程师以及载荷专家组成。

利用后发优势,我国空间站采用了不少新技术。例如,“天和”核心舱配置有一部承载力达25吨的10米长“七自由度大型空间机械臂”,它可在舱体的表面爬行移动,无论是舱段转位、大设备的移动,还是航天员自身移动,都可用该机械臂完成。

为了降低载人航天的成本,我国空间站采用了再生式生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收,排泄的尿液也会回收净化,重新作为饮用水和生活用水使用。电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳,可通过化学反应生成氧气。这些都降低了空间站生命保障的补给成本。

我国空间站首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼。它收拢后厚度仅为刚性太阳翼的1/15,上天展开后面积巨大,光电转换效率高30%以上,可以为空间站应用提供27千瓦的电力,不会出现当年俄罗斯“和平”号空间站电力不足的问题。

在发射了3个舱后,我国还将在2024年发射与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”光学舱。它将搭载2米口径的巡天望远镜,分辨率与美国“哈勃空间望远镜”相当,但视场角是后者的300多倍,可在大范围巡天科学研究方面显身手。

我国空间站系统的一大创新是,“天宫”空间站将成为世界第一个航天器“母港”。例如,“巡天”光学舱在需要时可与“天宫”空间站主体对接,由航天员对其开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动。

我国空间站也可以根据需要进一步扩展,由“T”字构型扩展成“干”字构型,活动空间增加一倍,未来的应用前景将十分广阔。

(作者为全国空间探测技术首席科学传播专家)

责任编辑:王梓辰校对:翟婧最后修改:
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